n型高阻硅單晶電阻率均勻性的控制
摘要：通過不同工藝的拉晶實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)晶轉(zhuǎn)、拉速、熱對流等因素對高阻n〈111〉硅單晶徑向電阻率均勻性有所影響。采用水平磁場拉晶工藝，通過提高晶轉(zhuǎn)、增大拉速、減小熱對流等，可有效提高硅單晶徑向電阻率均勻性。
??關(guān)鍵詞：硅單晶; 電阻率; 均勻性; 磁場強(qiáng)度 ??
1 引言 ??
高阻n型〈111〉硅單晶被廣泛用在功率器件方面。近年來許多功率器件廠家為提高成品率，對硅單晶的電阻率徑向均勻性提出了更為嚴(yán)格的要 求。普遍要求n型〈111〉Φ100mm硅單晶片的電阻率不均勻性小于15%，有的單位甚至要求小于10%。n〈111〉晶向硅單晶生長過程中，易出現(xiàn)（111）小平面，存在小平面效應(yīng)，由于磷的分凝系數(shù)小，使得其徑向電阻率均勻性較差，出現(xiàn)中心低周圍高的現(xiàn)象，影響器件局部電性能，對器件參數(shù)的一致性產(chǎn)生不良影響。采用普通工藝?yán)聘咦鑞型〈111〉Φ100mm電阻率在38-55Ω·㎝硅單晶，電阻率徑向不均勻性在20%左右或更高；采用提高晶轉(zhuǎn)速度，增加拉速等，可以使電阻率徑向不均勻性控制在15%-20%，而采用一般的磁場拉晶工藝，可使硅片電阻率不均勻性控制在15%以內(nèi)，采用改進(jìn)的磁場拉晶工藝，電阻率不均勻性可控制在10%以內(nèi)。
??2 實(shí)驗(yàn) ??
實(shí)驗(yàn)1 ??采用TDR-70B單晶爐，300mm熱場，拉制n型〈111〉電阻率38-55Ω·cm Φ100mm硅單晶，晶轉(zhuǎn)為15，25r/min，堝轉(zhuǎn)為6 r/min，初始提速為1.4，1.6mm/min，拉制4棵電阻率38-55Ω·cm，硅單晶，編號分別為70-1，70-2，70-3，70-4。
??實(shí)驗(yàn)2 ??采用TDR-70B單晶爐，配備水平磁場，300mm 熱場，拉制n型〈111〉，電阻率38-55Ω·cm，Φ100mm硅單晶，磁場強(qiáng)度分別為600A/m，800 A/m，1000A/m，拉速為1.4mm/min,晶轉(zhuǎn)為15r/min。拉制4棵單晶，編號分別為M70-1，M70-2，M70-3，M70-4。
在拉制出的單晶電阻率合格部分頭尾各取一樣片，經(jīng)過退火，消除氧施主效應(yīng)后，按GB11073-89的硅片徑向電阻率變化的測量方法，測量電阻率徑向不均勻性，其計(jì)算方法為 Δρ∕ρ=[（ρ a-ρc）/ρc ]×100 ??其中，ρc為硅片中心測得的兩次電阻率平均值；ρa(bǔ)為硅片半徑中點(diǎn)或邊緣6mm處測得4個(gè)電阻率平均值。
??各次實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果分別列于表1、表2。
3 結(jié)果分析與結(jié)論 ??
從表1的數(shù)據(jù)可見，在不加磁場的情況下，當(dāng)晶轉(zhuǎn)相同時(shí)，提高拉速可使硅單晶徑向電阻率均勻性提高。因?yàn)樵黾永，可使晶體凝固速度增加，使界面趨向平坦，有利于抑制小平面的出現(xiàn)，使電阻率均勻性提高。但增加拉速有一定的限制，一般控制在2.0mm/min以內(nèi)。為進(jìn)一步提高電阻率均勻性，可增加晶轉(zhuǎn)的速度，增加晶體轉(zhuǎn)速，會使固液界面從下向上運(yùn)動的高溫流增大，起到抑制熱對流的作用，當(dāng)晶轉(zhuǎn)強(qiáng)迫對流占優(yōu)勢時(shí)，生長界面由凸轉(zhuǎn)平，甚至凹向熔體，這樣有利于抑制小平面的出現(xiàn)，提高電阻率的徑向均勻性。
??由于在拉晶工藝中拉速和晶轉(zhuǎn)都有一定的限制，在這一范圍內(nèi)，只能小幅提高電阻率的徑向均勻性，遠(yuǎn)不能達(dá)到用戶所提出的要求。為此本文進(jìn)一步采用磁場下的拉晶工藝，拉制出實(shí)驗(yàn)2中的4棵單晶，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。
??從表2所拉制的四棵單晶可見，在拉晶工藝中加入磁場可有效提高單晶的電阻率徑向均勻性。由于加入了水平磁場，在洛倫茲力的作用下，抑制了熔體熱對流，對晶轉(zhuǎn)引起的強(qiáng)迫對流有加強(qiáng)作用。熱對流是熔硅的溫差和地球引力引起的，它的產(chǎn)生能加劇熔體與石英坩堝的反應(yīng)，使石英坩堝中的氧、硼、鉛等雜質(zhì)更多地進(jìn)入熔體和晶體中；同時(shí)，熱對流還引起液面波動、熔體溫度變化、晶體生長速度起伏，在晶體中形成雜質(zhì)條紋和旋渦花紋。為了抑制熱對流，在拉晶過程中加入了磁場，利用洛倫茲力的作用，使熔硅的熱對流運(yùn)動減弱。隨著磁場強(qiáng)度的增加，熔硅熱對流逐漸減弱，甚至完全抑制了熱對流，從而有效地提高單晶的電阻率均勻性。在磁場強(qiáng)度增加的過程中，磁場強(qiáng)度越高，熔體的徑向溫度梯度越小，拉晶難度越大。本文改進(jìn)了熱場，調(diào)整了單晶工藝，比如增加坩堝的轉(zhuǎn)速，加大氬氣的流量和壓力等，保證了高強(qiáng)度磁 場下單晶的順利拉制，使n型 Φ100mm高阻硅單晶的徑向電阻率不均勻性控制在10%以內(nèi)。
??總之，要提高n〈111〉硅單晶徑向電阻率均勻性，可從通過外加磁場減小熱對流、增加晶轉(zhuǎn)速度、提高拉速三方面著手。而采用磁場拉晶工藝，是目前改善單晶電阻率徑向均勻性最有效的方法。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2017-12-13
